[논문]MEMS 센서를 활용한 건설현장 작업자 위치/안전 정보 추적 시스템 개발

김진영; 안성수; 강준희

MEMS 센서를 활용한 건설현장 작업자 위치/안전 정보 추적 시스템 개발
Development of Location/Safety Tracking System for Construction Site Workers by Using MEMS Sensors 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the institute of electronics engineers of Korea. IE. 산업전자, v.49 no.1, 2012년, pp.12 - 17

김진영 (아이.에이치.에스) , 안성수 (명지전문대학 정보통신과) , 강준희 (인천대학교 물리학과)

초록
AI-Helper

유비쿼터스 기술의 발전과 더불어 다양한 응용 분야가 대두되고 있으며 특히 건설 현장 분야는 유비쿼터스 기술 및 시스템을 도입 하였을 때 많은 기대효과를 얻을 수 있는 분야이다. 건설 현장에는 항상 많은 위험요소가 존재 하며 특히 추락 사고가 높은 발생 비율을 차지하고 있다. 이러한 사고를 방지하기 위해서 안전교육 및 안전장비 착용 등 다양한 노력을 기울이고 있다. 본 연구에서는 무선 회로 (TOA, RSSI)를 구성하여 작업자의 안전정보 및 위치정보를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 시스템을 설계하고 제작하여 측정하였다. 산업용 장비에서 많이 사용되는 ATmega128 MCU를 사용하였으며, 무선 회로를 위해서는 나노트론사의 NanoPan 5357 모듈과 TI사의 CC2500 칩셋을 사용하였다. 또한, 주변환경 정보를 취득하기 위해서 3축가속도 및 압력 MEMS센서를 적용하였다. 이를 통해 작업자의 이동여부 및 고도정보를 판단할 수 있도록 시스템을 개발하였다. 응용소프트웨어는 NI사의 Labview 소프트웨어를 이용하여 개발을 진행하였다. 작업자가 위험지역에서 안전장비(안전고리)를 착용하지 않을 경우 서버 관리자와 작업자에게 경고 알람을 울리도록 시스템을 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fast development of ubiquitous technology prompted the broadening of the related application area. Application of ubiquitous techniques and system into the construction sites may give us many benefits. There are always a lot of hazard situations in construction sites, and the falling is known to have the high accident rate. To prevent the falling, there has been a lot of efforts including safety education and use of safety gears. In this study, we designed, fabricated and tested a system that can monitor the worker's safety and location informations in real time by using the wireless technology of TOA and RSSI. We used ATmegal28 that is popular in the industrial equipments as MCU and NanoPan 5357 module from Nanotron and CC2500 chipset from TI for radio circuits. We also used 3-axis accelerometer and pressure MEMS sensors to obtain the environmental information, and therefore to aquire the informations of the worker's movement and altitude. We used Labview software from National Instrument to monitor and control the system. We developed the system to send the warning alarms to the server operator and the workers when the workers in the danger zone did not wear the safety hook.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

현재 건설업계에서는 빈번히 발생하는 추락 사고방지를 위해 안전교육 및 안전장비 착용 등 다양한 노력을 통해 근로자의 안전을 보장하기 위한 투자를 하고 있다. 본 연구에서는 건설 현장에서 작업자의 안전과 위치정보를 취득하여 관리자와 작업자 본인에게 위험을 알려줄 수 있는 무선 송수신 시스템을 개발하였다. 특히 작업자의 위치정보를 취득하기위해 TOA(Time of Arrival) 방식의 무선 회로를 구성하였으며, 작업자가 착용하는 안전장구의 착용여부를 판단하고 무선으로 송수신하기 위해 RSSI(Received Signal Strength Indication) 방식의 무선회로를 듀얼로 구성하였다.
펌웨어는 위치추적 시스템이 정상적으로 동작하도록 송수신기에 탑재할 프로그램을 제작하는 것으로 매우 중요하다. 본 연구에서는 무선 통신 기능 및 송신기와 수신기 사이의 거리정보를 추정하기 위한 레인징 알고리즘 및 PC등의 외부 인터페이스와 연동 및 센서데이터 취득을 원활히 할수 있도록 펌웨어 개발을 진행하였다.^[6～8]

제안 방법

3차원 모델링을 수행하여 부품간 또는 케이스와의 간섭을 최소화 하도록 하였다. TOA 회로는 Nanotron사의 PAN 5375 칩셋을 사용하였으며, RSSI 회로를 구성하기 위해서 TI사의 CC2500 칩셋을 사용하였다.
건설 현장에서 작업자의 위치 및 안전정보를 취득할 수 있도록 무선송수신 시스템을 설계 하였다. 그림 2는 본 연구의 시스템 구성도를 나타내고 있다.
그리고 작업자 가사용하는 안전장구에 TOA 칩셋을 구성할 수도 있으나 TOA 칩셋의 가격이 RSSI보다 월등하게 비싸기 때문에 듀얼방식을 채택하여 실제 현장에 적용할 수 있도록 생산 단가를 낮추는 방향으로 설계를 진행하였다. 그림 1에 위치추적 방식에 따른 차이를 나타내었다.
본 연구를 통하여 TOA, RSSI 방식의 듀얼 무선 회로를 구성하였으며, 위치정보 및 작업자의 안전장구 착용여부를 실시간으로 모니터링하고 주변 환경 정보(이동여부, 고도)를 수집할 수 있는 작업자 위치/안전 모니터링 시스템을 개발하였다. 위치추적 오차는 2m 이내였으며, 건설현장, 산업 생산현장, 물류현장 등에서 사용 할 수 있도록 시스템을 설계하고 제작하여 테스트 하였다.
본 연구에서 작업자의 위치정보는 오차가 적은 TOA 방식으로 판단하도록 시스템을 구성하였으며, 작업자가 착용하는 안전장구의 경우에는 RSSI 방식을 적용하여 거리에 따라 착용하였는지 아닌지를 쉽게 판단할 수 있도록 듀얼 시스템으로 구성하였다.
그림에서 알 수 있듯이 건설 현장에 무선 수신기인 AP를 설치하여 인식영역을 구축하게 된다. 본 연구에서는 4개의 AP가 1개의 셀을 구축 할 수 있도록 시스템을 구성하였다.
실내의 경우 칸막이나 벽이 신호의 강도를 감쇄시키기 때문에 사전에 검증된 RF 신호 강도의 맵을 구성하고, 이 기준에 의거해 위치계산 프로세스를 진행하는 것이 일반적인 방식이다. 뿐만 아니라 압력센서와 3축 가속도 센서를 내장하여 주변 환경정보를 수집 분석하여 종합적인 판단이 가능하도록 시스템을 개발하였다. 이러한 작업자의 안전장비의 착용여부를 확인하고 모니터링 할 수 있는 시스템이 건설 현장에 보급되어 진다면 안전 교육비용 및 재해 보상 비용 등을 저감 할 수 있을 것으로 기대된다.
그림에서 알 수 있듯이 작업자 착용 TagID와 각 AP간의 거리가 정상적으로 수집되는 것을 알 수 있다. 안전 장구(안전 고리)를 착용하지 않은 경우에는 작업자가 착용하고 있는 송신기에서 알람이 울리도록 프로그래밍 하였다.
본 연구를 통하여 TOA, RSSI 방식의 듀얼 무선 회로를 구성하였으며, 위치정보 및 작업자의 안전장구 착용여부를 실시간으로 모니터링하고 주변 환경 정보(이동여부, 고도)를 수집할 수 있는 작업자 위치/안전 모니터링 시스템을 개발하였다. 위치추적 오차는 2m 이내였으며, 건설현장, 산업 생산현장, 물류현장 등에서 사용 할 수 있도록 시스템을 설계하고 제작하여 테스트 하였다. 본 연구의 결과물을 실제 건설현장에 접목하여 오차 및 문제점을 보완할 계획을 가지고 있다.
응용 소프트웨어는 GUI기반의 프로그래밍 언어인 Labview를 사용하여 개발을 진행하였다. Labview 소프트웨어는 현재 많은 연구자들이 사용하고 있으며 빠른 연구개발 및 응용이 가능하다.
프로토콜 형식대로 해석하면 TagID 00001, x값 0800 y값 0450, z값 1020, 고도값 0038, 고리정보 Y000 으로 해석할수 있다. 이를통해 작업자가 착용한 태그 ID와 3축 가속도 정보를 확인하고 높이정보를 통해 주변환경 정보를 취득할 수 있도록 하였다. 안전고리 착용여부를 판단할수 있어 실제 현장에 적용할 수 있을것으로 판단된다.
본 연구에서는 건설 현장에서 작업자의 안전과 위치정보를 취득하여 관리자와 작업자 본인에게 위험을 알려줄 수 있는 무선 송수신 시스템을 개발하였다. 특히 작업자의 위치정보를 취득하기위해 TOA(Time of Arrival) 방식의 무선 회로를 구성하였으며, 작업자가 착용하는 안전장구의 착용여부를 판단하고 무선으로 송수신하기 위해 RSSI(Received Signal Strength Indication) 방식의 무선회로를 듀얼로 구성하였다. 이렇게 듀얼 방식으로 구성한 이유는 RSSI 방식으로만 위치추적을 진행할 경우 일반적으로 태그와 수신기 사이의 거리가 늘어남에 따라 오차가 비례하여 증가하는 문제점이 있다.

대상 데이터

3차원 모델링을 수행하여 부품간 또는 케이스와의 간섭을 최소화 하도록 하였다. TOA 회로는 Nanotron사의 PAN 5375 칩셋을 사용하였으며, RSSI 회로를 구성하기 위해서 TI사의 CC2500 칩셋을 사용하였다.
그림 7은 제작된 송신기의 사진을 나타내고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 높이를 측정하기 위한 압력센서와 사용자의 움직임 여부를 판단할 수 있는 가속도 센서를 내장하였으며, TOA, RSSI방식의 무선회로를 내장하여 단말기를 제작하였다. 작업자 착용 단말기의 크기는 6.
그림 4는 송신기 하드웨어의 PCB layout 결과를 나타내고 있다. 송신기 하드웨어의 PCB는 4층 기판으로 디자인 하였다. 그림 3의 좌측은 2D Layout 결과이며, 우측은 3D 결과를 보여주고 있다.
작업자 착용 단말기의 크기는 6.3 × 8.8 × 2.6 cm 이며 2.45GHz 통신을 위해 mono pole 안테나와 ship 안테나를 내장하였다.

데이터처리

위치추적 결과 및 오차를 표1에 정리하여 나타내었다. 각 데이터는 30회 동안을 측정하여 평균한 값을 사용하였다.

성능/효과

본 연구를 통해 개발된 제품의 위치추적 성능을 측정하기 위해서 실외에서 테스트한 결과를 그림 8에 나타내었다. 측정결과를 통해 볼 때 본 시스템의 오차는 2m 이내의 오차를 나타내는 것을 확인 할 수 있다. 최소오차는 1m 이내 였으며 최대 오차는 1.

후속연구

또한 상용화 시스템으로 발전하기 위해서 다수 태그가 제한된 영역에 존재할 경우를 고려하여 기술적 보완을 진행할 계획이다. 이를 위해 TDOA방식을 적용할 수 있도록 지속적인 연구개발을 진행할 계획이다.
위치추적 오차는 2m 이내였으며, 건설현장, 산업 생산현장, 물류현장 등에서 사용 할 수 있도록 시스템을 설계하고 제작하여 테스트 하였다. 본 연구의 결과물을 실제 건설현장에 접목하여 오차 및 문제점을 보완할 계획을 가지고 있다.
이를통해 작업자가 착용한 태그 ID와 3축 가속도 정보를 확인하고 높이정보를 통해 주변환경 정보를 취득할 수 있도록 하였다. 안전고리 착용여부를 판단할수 있어 실제 현장에 적용할 수 있을것으로 판단된다.
뿐만 아니라 압력센서와 3축 가속도 센서를 내장하여 주변 환경정보를 수집 분석하여 종합적인 판단이 가능하도록 시스템을 개발하였다. 이러한 작업자의 안전장비의 착용여부를 확인하고 모니터링 할 수 있는 시스템이 건설 현장에 보급되어 진다면 안전 교육비용 및 재해 보상 비용 등을 저감 할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 상용화 시스템으로 발전하기 위해서 다수 태그가 제한된 영역에 존재할 경우를 고려하여 기술적 보완을 진행할 계획이다. 이를 위해 TDOA방식을 적용할 수 있도록 지속적인 연구개발을 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RSSI 방식이란?	이와는 달리 RSSI 방식은 위치추적을 위해 여러 대의 수신장치를 사용하여 태그가 송신하는 신호를 수신 장치가 수신하고 3대의 수신장치에서 받은 신호의 강도를 바탕으로 태그와 수신장치까지의 거리를 추정하여 태그정보를 서버에 전달하고, 이 값을 이용해 위치계산을 수행하는 방식이다. 실내의 경우 칸막이나 벽이 신호의 강도를 감쇄시키기 때문에 사전에 검증된 RF 신호 강도의 맵을 구성하고, 이 기준에 의거해 위치계산 프로세스를 진행하는 것이 일반적인 방식이다.
	TOA 방식의 장점은?	그래서 RSSI 방식을 사용할 경우에는 곳곳에 수신기를 설치해야 하는 부담이 있다. 이에 반해 TOA 방식은 태그와 수신기 사이의 거리가 증가해도 오차는 일정하게 유지되는 장점이 있다.
	RSSI방식의 무선회로를 듀얼로 구성 한 이유는?	특히 작업자의 위치정보를 취득하기위해 TOA(Time of Arrival) 방식의 무선 회로를 구성하였으며, 작업자가 착용하는 안전장구의 착용여부를 판단하고 무선으로 송수신하기 위해 RSSI(Received Signal Strength Indication) 방식의 무선회로를 듀얼로 구성하였다. 이렇게 듀얼 방식으로 구성한 이유는 RSSI 방식으로만 위치추적을 진행할 경우 일반적으로 태그와 수신기 사이의 거리가 늘어남에 따라 오차가 비례하여 증가하는 문제점이 있다. 그래서 RSSI 방식을 사용할 경우에는 곳곳에 수신기를 설치해야 하는 부담이 있다. 이에 반해 TOA 방식은 태그와 수신기 사이의 거리가 증가해도 오차는 일정하게 유지되는 장점이 있다.

참고문헌 (8)

최장수, "RTLS (Real Time Location System) 기술 동향과 발전," 대한토목학회지, 제57권, 제5호, 25-34쪽, 2009년 5월

상세보기
차종섭 외, "능동형 RFID 기반 실시간 위치추적 기술동향", 전자통신 동향분석, 제 24권, 제 5호, 87-97쪽, 2009년 10월

원문보기 상세보기
정승희 외, "2.45GHz RTLS 고정밀 위치추정 기술", 한국해양정보통신학회지, 제7권, 제 1호, 48-54쪽, 2010년 11월
김균태, "건설작업 자동화를 위한 실시간위치추적 시스템 분석," 한국건축시공학회 추계 학술대회 논문집, 제9권, 2호, 15-18쪽, 2009년 11월
배정남 외, "실내환경에서 초광대역 무선통신을 이용한 양방향 위치인식 기법의 성능분석", 대한전자공학회논문지-TC, 제4권 TC편, 제7호, 18-22쪽, 2010.7
최훈, 백윤주 "비가시성을 고려한 RF기반 측위 시스템의 설계 및 구현," 한국 통신학회 논문지, 제36권, 제7호, 654-661쪽, 2011년 7월
조현태 외, "TDOA 기반의 실시간 위치 측정 시스템을 위한 정밀도 무선 시각 동기 시스템," 한국 통신학회 논문집, 제34권, 제1호, 86-97쪽, 2009년 1월
김동혁 외, "TDOA 측정치를 이용한 가중치 추정방식의 QCLS 측위방법", 전자공학회 논문지-SC, 제44권 제4호, 1-7쪽, 2007년 7월

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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